1、    基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車(chē)安全行車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)    鄧祖清 舒穎 肖亞摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，人均工資增加，購(gòu)買(mǎi)力提高，人們的生活水平得到提高。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)價(jià)格的親民化，使得汽車(chē)成為家庭旅游的重要交通工具。隨著汽車(chē)進(jìn)入數(shù)千戶(hù)家庭，成為生活空間的重要一部分，國(guó)內(nèi)汽車(chē)銷(xiāo)售總額的不斷增加。許多城市的道路通行能力已經(jīng)達(dá)到飽和，交通安全，出行效率，環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題也日益突出。在這種背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有望大大緩解交通擁堵，提高交通運(yùn)輸效率，解決道路交通環(huán)境中的安全問(wèn)題。本文主要對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的安全機(jī)制及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);車(chē)聯(lián)網(wǎng);

2、行車(chē)安全;車(chē)間通訊abstract：with social progress and rapid economic growth， per capita wages have increased， purchasing power has increased， and people's living standards have improved. the rapid development of the automobile industry and the closeness of automobile prices have made automobiles an importa

3、nt means of transportation for family travel. as cars enter thousands of households and become an important part of living space， the total domestic car sales continue to increase. the road capacity of many cities has reached saturation， and issues such as traffic safety， travel efficiency， and envi

4、ronmental protection have become increasingly prominent. under this background， the technology based on the internet of things is expected to greatly ease traffic congestion， improve transportation efficiency， and solve safety problems in the road traffic environment. this paper mainly studies the s

5、afety mechanism and key technologies of the internet of vehicles.keyword： internate of things， internet of vehicle， security-driving system，vehicle-to-vehicle communication1引言道路安全問(wèn)題己經(jīng)上升為全球公共道路交通安全問(wèn)題。依據(jù)我國(guó)公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)信息，我國(guó)私人汽車(chē)擁有量從 2013 年的 10501.68萬(wàn)輛，至 2017 年增長(zhǎng)到 18515.11萬(wàn)輛，增長(zhǎng)率達(dá) 76.3% ;交通事故發(fā)生總數(shù)從 2013 年的 1

6、98394 起，至2017年增加到203049 起，增長(zhǎng)率達(dá)到2.3% 。方便人們的安全出行同時(shí)，又要從出行效率、環(huán)保以及資訊娛樂(lè)等方面考慮，這就需要車(chē)輛與車(chē)輛之間，車(chē)輛與人、車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間能夠?qū)崟r(shí)通信，以滿(mǎn)足人們不同的出行需求。最近幾年內(nèi)國(guó)家道路基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)、法律法規(guī)日趨完善，司機(jī)和行人的交通安全意識(shí)有所増強(qiáng)，道路交通安全事故傷亡人數(shù)略有下降，但同日本、美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，依然存在巨大的差距。汽車(chē)安全行車(chē)系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展迅速并且形成歐、美和日三大模式12。90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)學(xué)者在汽車(chē)安全行車(chē)技術(shù)的研究上取得了令人矚目的成就。美國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一直處于世界前列，體現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)水

7、平和工業(yè)發(fā)展水平上3。 例如，美國(guó)的“智能地球”戰(zhàn)略促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。歐盟在智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展方面也處于世界領(lǐng)先地位4。2010年初，我國(guó)工業(yè)和信息化部（工信部）牽頭成立了國(guó)家協(xié)調(diào)小組，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范項(xiàng)目的建設(shè)成為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)分支，主要應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域。車(chē)聯(lián)網(wǎng)安全方面的應(yīng)用在相關(guān)研究中已經(jīng)得到證實(shí)，當(dāng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)0.5秒預(yù)碰撞警報(bào)則避免了60%的交通意外，如果提前1秒預(yù)警可以避免90%的交通事故56。車(chē)聯(lián)網(wǎng)在行車(chē)安全方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，駕駛員能夠從車(chē)輛節(jié)點(diǎn)和路側(cè)節(jié)點(diǎn)獲取所屬路段的道路環(huán)境信息和氣象信息，獲取建議的車(chē)速，同時(shí)也能接收超視

8、距或盲區(qū)內(nèi)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息，如行車(chē)速度，航向角和gps定位信息等。當(dāng)車(chē)輛預(yù)測(cè)到潛在安全隱患時(shí)，發(fā)出聲音和圖像報(bào)警信息，警示駕駛員，保證有充足的應(yīng)急時(shí)間來(lái)做出正確緊急避險(xiǎn)決策，能夠避免道路安全事故引發(fā)的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了增強(qiáng)路網(wǎng)的智能、安全以及道路利用率和節(jié)能經(jīng)濟(jì)等能力，更加為了建立健全的超時(shí)代汽車(chē)安全行車(chē)系統(tǒng)體系，車(chē)聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)突破創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)勢(shì)在必行。本課題的設(shè)計(jì)主要從汽車(chē)道路行駛過(guò)程中因?yàn)檐?chē)輛之間信息不同步，或者對(duì)行駛規(guī)則運(yùn)用不規(guī)范，導(dǎo)致交通事故為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用互聯(lián)技術(shù)，一定范圍內(nèi)，汽車(chē)自帶的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)互聯(lián)，變道超車(chē)，給車(chē)內(nèi)駕乘人員給予提示，做到有潛在安全隱患提前預(yù)警，早做應(yīng)急

9、準(zhǔn)備，減少意外事故發(fā)生。1.1物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，iot）的定義是：利用各種信息傳感設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)，射頻識(shí)別設(shè)備，激光掃描儀，紅外傳感器等設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合形成了龐大的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行全面感知，可靠傳遞和智能處理。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)架構(gòu)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。1.2車(chē)聯(lián)網(wǎng)從大范圍講，車(chē)聯(lián)網(wǎng)內(nèi)含車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)化及車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)預(yù)先制定的無(wú)線通信準(zhǔn)則、通信傳輸標(biāo)準(zhǔn)及信息傳輸協(xié)定，在車(chē)與車(chē)、車(chē)與路和車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行交通安全和信息服務(wù)為目的的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)交通管控、車(chē)輛管控和車(chē)輛信息娛樂(lè)一體化智能化的大型綜合網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建更健全更先進(jìn)的智能交通

10、系統(tǒng)7本章主要介紹車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，為了滿(mǎn)足智能交通在道路交通安全性的要求，需要提供的交通信息的主要內(nèi)容，介紹車(chē)聯(lián)網(wǎng)的典型系統(tǒng)架構(gòu)，介紹車(chē)輛精確定位技術(shù)、在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)時(shí)可靠的通信技術(shù)、車(chē)輛行駛狀態(tài)感知技術(shù)、海量車(chē)輛數(shù)據(jù)處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。2車(chē)聯(lián)網(wǎng)安全體系車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，但與傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同，車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓l繁的網(wǎng)絡(luò)分段和有限的網(wǎng)絡(luò)冗余的特點(diǎn)，限制了互聯(lián)網(wǎng)的通信能力。技術(shù)和應(yīng)用實(shí)踐證明，基于通信體系結(jié)構(gòu)研究車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)安全性的最有效，最可行的方法之一。因此，本節(jié)對(duì)主要內(nèi)容進(jìn)行了分析和討論。2.1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)安全體系結(jié)構(gòu)車(chē)聯(lián)網(wǎng)安全體系研究的是車(chē)域網(wǎng)，車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)為主要

11、對(duì)象，通過(guò)對(duì)安全通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)的研究，在車(chē)輛和車(chē)輛（v2v）中 ，車(chē)輛和道路基礎(chǔ)設(shè)施（v2i）以及與汽車(chē)之間具有外部網(wǎng)絡(luò)（vehicle to external-network，v2e）的無(wú)線通信方式的信息交換和傳輸信息安全，并用于實(shí)現(xiàn)智能交通管理和智能信息服務(wù)、智能交通控制，為汽車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供安全保障。2.2車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)間通訊車(chē)間距離是判斷車(chē)輛間安全的依據(jù)，車(chē)輛如何在動(dòng)態(tài)交通環(huán)境中實(shí)時(shí)感知彼此的存在以及相對(duì)位置是實(shí)現(xiàn)安全的前提。通過(guò)前文的分析，定位和感知技術(shù)都是通過(guò)無(wú)線測(cè)距方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，涉及到信號(hào)在空間的傳播特征。為此，結(jié)合車(chē)聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)特點(diǎn)，本節(jié)設(shè)計(jì)了可附著在車(chē)輛的無(wú)線接收裝置，利用車(chē)

12、輛發(fā)出的關(guān)于速度、轉(zhuǎn)向等指令信息感知周?chē)?chē)輛，通過(guò)車(chē)與車(chē)間的無(wú)線通訊，駕駛員可以共享路況信息，提前預(yù)測(cè)前方道路的實(shí)時(shí)路況，有效解決因駕駛員未能及時(shí)獲取路況信息而造成的交通擁堵，甚至可以有效避免交通事故 。2.2.1車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)間通訊方法本節(jié)中所提出的車(chē)間通信主要分為以下兩種類(lèi)型：車(chē)輛和車(chē)輛（v2v）通信和車(chē)輛和道路基礎(chǔ)設(shè)施（v2i）通信。車(chē)車(chē)間通信實(shí)現(xiàn)的是車(chē)輛之間的直接信號(hào)傳輸，主要用于車(chē)輛之間相對(duì)位置的感知。例如，高速行駛過(guò)程中，后方車(chē)輛未按行車(chē)規(guī)矩，打燈，并道超車(chē)，沒(méi)有安裝這個(gè)系統(tǒng)的車(chē)輛，會(huì)有發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，安裝這個(gè)系統(tǒng)的車(chē)輛能在車(chē)載行車(chē)系統(tǒng)中知曉后車(chē)打燈加速等信息，提前預(yù)警，作出減速避讓

13、的措施，降低或者避免行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)。車(chē)路間通信是一種特殊的車(chē)車(chē)間通信方式，但與單純的車(chē)車(chē)間通訊不同的是，它需要借助rsu來(lái)間接地將其信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛關(guān)聯(lián)起來(lái)，并間接地判斷路況。例如，在道路十字路口，受周?chē)h(huán)境的影響，車(chē)輛之間可能無(wú)法直接判斷出不同方向的車(chē)輛位置，若此時(shí)前方路段發(fā)生堵車(chē)，交通事故后方車(chē)輛，能夠通過(guò)安全支持系統(tǒng)，在行車(chē)系統(tǒng)電腦顯示器上，通過(guò)無(wú)線通訊的接入，感知到前方車(chē)輛行駛信息，如果速度完全靜止，則有預(yù)警信息發(fā)出，這樣同向車(chē)輛能及時(shí)做出制動(dòng)和其他措施，避免交通事故，提高行車(chē)安全。2.2.2車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)間通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、利用電磁場(chǎng)理論和統(tǒng)計(jì)理論分析無(wú)線電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性進(jìn)行理論

14、分析，并用數(shù)學(xué)模型描述無(wú)線信道。二、不同傳輸環(huán)境中無(wú)線電波的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，做無(wú)線電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證和校正理論分析結(jié)果;三、計(jì)算機(jī)仿真，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，靈活快速地模擬各種移動(dòng)環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)在原有的計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要分析，提出優(yōu)化方案。微帶天線具有體積小、成本低等特點(diǎn)，在移動(dòng)通信以及衛(wèi)星通信中應(yīng)用廣泛，但是微帶天線因其損耗較大、增益低，所以會(huì)限制其應(yīng)用范圍。根據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，本實(shí)驗(yàn)將電磁超介質(zhì)應(yīng)用在矩形貼片微帶天線中，利用電磁超介質(zhì)的特殊物理性質(zhì)提高微帶天線增益等性能。微帶天線大致可以分為三類(lèi)：貼片微帶天線、行波微帶天線及縫隙微帶天線。貼片微帶天線主要由介電基片，介電基片上方的金屬貼片和基片

15、下方的連接層組成。行波微帶天線主要由介質(zhì)基片，鏈狀周期結(jié)構(gòu)或傳輸線結(jié)構(gòu)組成。 間隙微帶天線主要由連接底板上的間隙和微帶饋線組成，貼片微帶天線中的貼片可以是矩形，圓形，三角形等。由于原有的仿真分析微帶天線的增益比較低，應(yīng)用效果不太理想。為了增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的性能，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)負(fù)磁導(dǎo)率介質(zhì)在微帶無(wú)線中的應(yīng)用，形成加載負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的微帶天線，利用負(fù)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)的帶阻特性抵制微帶天線中表面波的傳播，從而提高天線的輻射效率，進(jìn)而提高天線的增益性能。利用負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的帶阻特性來(lái)抑制微帶天線中表面波的傳播特性，可以將所構(gòu)造的負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)加載到前文設(shè)計(jì)的微帶天線的基板上，用以抑制表面波傳播，進(jìn)而提高微

16、帶天線的增益。微帶天線具有體積小、靈敏度高、安裝方便等特點(diǎn)，可附著在車(chē)頂?shù)任恢茫糜谲?chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)距、預(yù)警等功能。3結(jié)論隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷推進(jìn)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被提出且成物聯(lián)網(wǎng)中一個(gè)重要的分支。車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)出現(xiàn)，便引起了社會(huì)各界的普遍關(guān)注，并成為研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。尤其是近些年來(lái)，伴隨著智能交通理念不斷深入人心以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)在一些關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用方面取得的突破性進(jìn)展或給人們展現(xiàn)的美好期望，車(chē)聯(lián)網(wǎng)為一項(xiàng)被普遍認(rèn)為能夠進(jìn)一步推動(dòng)智能交通發(fā)展的技術(shù)很快實(shí)現(xiàn)了兩者之間的深度融合。為此，車(chē)聯(lián)網(wǎng)同時(shí)繼承了物聯(lián)網(wǎng)和智能交通的基因，而且在融合發(fā)展過(guò)程中不斷得到優(yōu)化。目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)在全球的研究

17、和應(yīng)用還處于起步階段，不但對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念的描述還不完整和準(zhǔn)確，同時(shí)，在車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)安全性研究中還缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此，在車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)的研究中仍然有很多未知的領(lǐng)域需要探索，而這一探索目前處于階段。 主要是對(duì)現(xiàn)有研究成果和應(yīng)用成果在汽車(chē)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的創(chuàng)新。本文系統(tǒng)分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架和智能交通應(yīng)用的基礎(chǔ)，提出了車(chē)聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，將車(chē)聯(lián)網(wǎng)從下到上分為感知層、轉(zhuǎn)送層和應(yīng)用層。其中，感知層是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，通過(guò)車(chē)輛狀態(tài)感知、車(chē)路感知、車(chē)輛定位、車(chē)輛感知等方式實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自身以及車(chē)輛與道路交通信息的全面感知、收集和處理;傳送層通過(guò)整合現(xiàn)有和演進(jìn)中的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等熱點(diǎn)技術(shù)，為上層應(yīng)用提供高效可靠的

18、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);應(yīng)用層負(fù)責(zé)為車(chē)聯(lián)網(wǎng)提供智能交通管理、車(chē)輛安全控制等服務(wù)功能。基于該架構(gòu)，本文提出了一種用于車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)的安全框架，并詳細(xì)分析了車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)的安全性和車(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)的安全性，為構(gòu)建可信、可控、可管的安全車(chē)聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)支持和研究依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了加載負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的微帶天線作為信號(hào)源來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)間通信，符合車(chē)聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。本文雖然在一定程度上為車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了有價(jià)值的參考。但作為一項(xiàng)綜合了各方面技術(shù)的創(chuàng)新型應(yīng)用，隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，還有己知和未知的大量技術(shù)難題需要解決，與各類(lèi)技術(shù)相伴而生的安全問(wèn)題更需要認(rèn)真面對(duì)。參考文獻(xiàn)1胡宇紅，周旋.道路交通運(yùn)輸安全發(fā)展報(bào)告（2017）j，中國(guó)應(yīng)急管理，2018，2：48-58.2 高德地圖.2018年度中國(guó)主要城市交通分析報(bào)告on.jan.2019.3 qingwen zhao， yanmin zhu， chao chen， hongzi zhu， bo li. when 3g meets vanet ： 3g-assisted data delivery in vanets . sensors